浅埋偏压隧道围岩渐进破坏机制分析

邓之友，彭立敏，刘正初

(1.中南大学土木建筑学院，长沙 410075;2.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650200)

0 引言

我国山脉纵横，地形地势陡峻险要，地质条件复杂，在交通隧道建设中，偏压隧道占有一定的比例。隧道在开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使隧道围岩发生卸荷回弹和应力重分布。如果隧道所处围岩等级不高，随着掌子面向前推进，隧道围岩因隧道开挖后产生围岩应力重分布以及岩体的应变软化而发生渐近破坏。就隧道设计而言，其核心问题是如何确定合理的支护参数，而隧道围岩破坏模式往往决定了支护参数的选择。因此，隧道围岩破坏模式的研究对于隧道结构设计具有重要意义。

国内外很多学者都对隧道围岩破坏进行了大量的研究。周小文等［1］通过离心模型试验，对隧洞周围砂土随支护压力降低而发生位移和破坏的过程和规律进行了研究;D.Sterpi等［2］采用砂及铝棒作为模型材料，用气囊逐步卸压的方法模拟隧道开挖，对隧道围岩的破坏过程和规律进行了二维及三维的模型试验研究。模型试验是研究隧道工程问题的一种重要手段。隧道工程模型试验目前主要集中在围岩稳定性的研究方面［3－5］，同时在相似材料制备、试验设备研制、试验数据采集等方面积累了许多宝贵的经验。

但具体到Ⅴ级围岩条件下浅埋偏压隧道的围岩破坏机制，相关研究并不多。故本文应用室内模型试验对浅埋偏压隧道围岩的破坏过程和破坏模式进行分析，总结出不同偏压条件下隧道围岩的破坏规律，以期为同类隧道工程建设过程中采取有效的施工方案或者切实可行的支护措施提供参考。

1 浅埋偏压隧道破坏模式模型试验

1.1 相似理论

相似理论是相似模拟试验的理论基础和模型制作的主要依据。任何物理现象相似的充分必要条件可归纳为相似理论的3个基本定理［6－7］。

1)相似第1定理(相似正定理):过程相似，则相似准则不变，相似指标为1。

2)相似第2定理(π定理):描述相似现象的物理方程均可变成相似准则组成的综合方程。现象相似，其综合方程必然相似，即 f(π1，π2，π3，…，πk，…)=0。

3)相似第3定理(相似存在定理):在几何相似系统中，具有相同文字的关系方程式，单值条件相似，且由单值条件组成的相似准则相等，则此两现象相似。

1.2 相似关系的确定

隧道模型试验要求模型与实际工程中隧道埋深以及隧道开挖空间的几何尺寸均应满足几何比。本次模型试验采用了1∶20的大几何比例尺模型，根据相似理论原理，可推得各原型的物理力学参数与模型值的相似比［8－10］。

1)几何相似比CL=20;

2)泊松比μ、应变ε、摩擦角φ相似比Cμ=Cε=Cφ=20;

3)容重γ相似比Cγ=20;

4)弹性模量E、内聚力c、应力σ相似比CE=Cc=Cσ=20。

1.3 试验目的及试验工况

1.3.1 试验目的

试验主要针对单洞和小净距浅埋偏压隧道在不同偏压条件下开挖过程中，地表沉降及隧道的变形规律、围岩破裂面发展过程及隧道在塌方后所形成滑裂面的破坏模式进行研究。

1.3.2 试验工况

根据试验目的和要求，共设置了6个工况进行三维模型试验，试验工况如下:

1)单洞浅埋偏压(15，30，45°)条件下破坏试验;

2)小净距浅埋偏压(15，30，45°)条件下破坏试验。

1.4 试验设备的制作及材料的选取

为保证模型试验结果的稳定性，所有试验均在专门制作的试验模型箱内进行。选取几何相似比为1∶20的隧道模型，模型箱的尺寸为3.5 m×3.0 m×2 m(长×宽×高)，要求能够分别完成单洞和小净距隧道开挖试验，因此在试验箱一侧预留3个0.5 m×0.6 m(宽 ×高)的开挖孔。为便于观察，整个模型箱的内表面采用1.2 cm厚的透明钢化玻璃，如图1所示。

图1 模型试验箱实体图Fig.1 Photo of model test box

围岩材料选用黏土∶炉渣∶河砂=1∶1∶2(质量比)的配比材料，围岩相似材料力学参数如表1所示。预先在模型的底部垫1层0.5 m厚的上述配比的围岩材料，并进行压实，防止出现沉降而影响试验效果。试验加载采用先开挖后加载的方式，初期加载量为围岩材料自然堆载，所加围岩的厚度以实际工程中土体的埋深通过相似理论换算而成。为观察围岩的破坏过程及其特征，进行二次加载，先在地表铺设1层钢板整平，保证加载均匀，然后采用千斤顶在围岩上部同步逐级加载的方式来实现，加载作用持续到围岩破坏明显且有连续通透裂缝出现的状态为准。小净距隧道加载断面如图2所示(单洞隧道加载情况与小净距隧道相同)。

表1 围岩相似材料力学参数Table 1 Mechanical parameters of materials similar to rock mass

为了方便观察隧道在破坏过程中Ⅴ级围岩滑裂面的破坏情况，应使隧道衬砌模型在满足相似性条件的基础上，选用在开挖后和加载作用下易于变形和破坏的模型材料，故试验时采用材质较软且与衬砌材料相似性较接近的白铁皮进行模型制作。隧道模型采用预埋的方式，施工过程中采用全截面开挖，尺寸大小如图3所示。

2 单洞浅埋偏压隧道渐进破坏过程及破坏模式分析

2.1 单洞偏压隧道渐进破坏过程

隧道开挖采用全断面一次开挖，模拟隧道开挖后毛洞状态下围岩的渐进破坏过程。单洞偏压隧道在地形偏压作用下，坡顶一侧的隧道上方围岩压力较大，坡脚一侧的隧道上方围岩压力较小。隧道开挖打破了原有围岩的静力平衡，在围岩压力的作用下，坡顶一侧的隧道结构开始出现沉降变形，同时挤压坡脚一侧的隧道结构，使隧道处于偏压受力状态。当出现隧道围岩应力超过围岩强度或隧道支护结构的承载能力不足以抵抗围岩压力时，隧道结构即会丧失其稳定性。隧道塌方过程如图4所示。

1)在开挖前，隧道所在位置的岩体应力处于平衡状态。

2)随着隧道的开挖，围岩压力直接作用于隧道结构，其中左侧围岩压力大于右侧，但由于隧道开挖的空间效应，围岩压力并没有完全释放，此时结构变形并不明显，如图4(a)所示。

3)随着隧道的继续开挖，隧道支护结构受力也逐渐增大，并开始出现偏压变形，地表围岩开始出现下沉，如图4(b)所示。

4)隧道开挖完成后，在地表对上部围岩进行加载，此后隧道底部变形增大，围岩多处出现破裂面，且隧道结构出现局部破坏，如图4(c)所示。

5)整个隧道结构被压屈变形，破裂带继续增大并逐渐相互连接形成破裂面，岩体逐渐由坡顶向坡脚滑移，如图4(d)所示。

6)随着破裂面的贯通，围岩压力继续增大，而隧道结构的支持作用基本不变，此时整个岩体开始加速滑移，并最终在较短的时间内被破坏，如图4(e)所示。

2.2 单洞偏压隧道渐进破坏模式

单洞偏压隧道破坏前后的状态如图5所示。浅埋单洞偏压隧道的破坏模式是由洞口的偏压模式和偏压角度决定的，即由洞口边坡和洞门仰坡组合而成，破裂面的顶部基本在仰坡和边坡的交界线上，距离洞口2～3倍的隧道跨度。偏压角度越小，破裂面上部顶点距离隧道开挖面越远，但破裂面的深度越浅，塌落量越小;反之，破裂面顶部距离隧道开挖面越近，破裂面的深度越深，塌落量越大。破裂面的下部顶点与隧道的位置关系也表现出相同的规律。

单洞隧道的破裂角在56～71°。其中靠近坡脚一侧的破裂角较小，与水平面的夹角为56～66°，靠近坡顶一侧的破裂角较大，与水平面的夹角为66～71°，如图6所示。

整个滑落体可近似看作一个锥形体，其各垂向和水平破裂面均可看作抛物线。需要说明的是，试验中采用的为各向同性的散粒体作为围岩材料，当偏压角度达到55°后围岩即无法自稳，而实际围岩应有一定的胶结强度，当实际工程中出现大角度偏压时，可能会出现斜切隧道开挖面的重力坍塌破坏。

因此，浅埋单洞偏压隧道可以看作岩体在重力作用下的坍塌破坏，破坏体可近似看作以隧道洞口为顶、以仰坡变坡线为底的锥形体。地形的偏压模式决定了隧道的破坏模式，偏压角度和偏压范围决定了破坏体的规模和范围。

3 小净距浅埋偏压隧道渐进破坏过程及破坏模式分析

3.1 小净距偏压隧道渐进破坏过程

小净距偏压隧道的渐进破坏过程与单洞偏压隧道具有一定的相似性。在隧道未开挖前，原有地层保持应力平衡状态，隧道开挖造成岩体的原有应力平衡被打破，且在隧道开挖过程中岩体的应力状态不断进行变化和调整，处于应力失衡—变形调整—应力平衡—变形调整—应力失衡的循环动态变化之中。开挖过程如图7所示。

当隧道结构或岩体本身提供的支撑强度不足时，隧道或岩体将发生破坏，整个渐进破坏过程如下:

1)隧道开挖前，隧道所在位置的岩体应力处于平衡状态，隧道开挖发生应力释放，围岩体开始出现变形，但不显著，如图7(a)所示。

2)随着隧道继续开挖，结构受力也逐渐增大，并开始出现偏压变形，地表围岩开始出现下沉，如图7(b)所示。

3)在隧道开挖完成后，隧道变形继续增大，其中坡顶一侧的隧道结构变形大于坡脚一侧;与之相对应的是，靠近坡顶一侧隧道的左拱腰位移量最大，其次为靠近坡脚一侧隧道的右墙脚，如图7(c)所示。

4)围岩出现多处破裂面，其中坡顶一侧的裂缝分布更为密集，随着坡顶荷载的增大，围岩破裂面继续增多和扩展，并开始连通，如图7(d)所示。

5)随着围岩变形的扩大，靠近坡顶一侧的隧道上部岩体首先发生急速滑移，紧接着靠近坡脚一侧的围岩也出现快速变形，二者几乎在瞬间出现坍塌，形成空间塌落体，整个围岩和隧道最终被破坏，如图7(e)所示。

3.2 小净距偏压隧道的渐进破坏模式

小净距偏压隧道的塌落体可看作2个平行的锥形体。其中各锥形体均是以隧道洞口为底，锥顶位于边坡线和仰坡线的交汇处，因此，靠近坡顶侧的塌落体大于靠近坡脚侧的锥型塌落体。小净距隧道两塌落体中间为左右两侧滑裂面不对称的楔型结构，靠近坡顶侧滑裂面的角度较小，与水平面的夹角为56～58°;靠近坡脚侧滑裂面的角度相对较大，与水平面的夹角为62～75°。滑裂面的角度大小与偏压角度相关，偏压角越大，滑裂面的角度也越大;反之则相反，如图8所示。

图7 小净距浅埋偏压隧道围岩渐进破坏过程Fig.7 Progressive failure process of rock mass of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing

图8 不同偏压角度小净距隧道破坏模式Fig.8 Failure modes of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing under different asymmetrical loading angles

整个滑落面为一个空间破裂面，破裂面起点位于坡顶一侧的边坡和仰坡的交线处，距隧道开挖范围约3倍的单洞洞跨处，然后以隧道为中心向后延伸，直至两隧道中间的楔型体位置处。靠近坡顶的破裂面与上部破裂面相切，并以坡脚处的隧道为中心，形成下部的破裂体，并在坡脚侧隧道的墙脚处消失。

与单洞偏压隧道的破坏模式相似，小净距浅埋偏压隧道的破坏范围与地形的偏压模式和偏压角度相关。破坏范围距离洞口2～3倍的隧道跨度，且偏压角度越近，破裂面上部顶点距离隧道开挖面越远，反之越近。其中小净距偏压隧道的围岩自稳条件比单洞差，当偏压角度达到50°左右后，在隧道开挖过程中整个围岩即可发生失稳。

4 结论与讨论

依据室内模型试验结果，总结分析了浅埋偏压隧道(单洞、小净距)围岩的渐进破坏过程及破坏模式，对隧道支护参数确定、支护结构设计、分析隧道破坏原因以及隧道维护等方面都具有重要意义。

1)浅埋偏压隧道的破坏模式可以看作岩体在重力作用下的坍塌破坏。单洞偏压隧道的破坏体可近似看作以隧道洞口为顶和以仰坡线为底的锥形体;小净距偏压隧道的破坏体则以隧道洞口为顶和以仰坡变坡线为底的2个并列锥形体组合，且较高的岩体破坏较早，较低的岩体破坏较晚，当靠近隧道底部范围内的岩体出现破坏时，整体的滑裂面最终形成并瞬间破坏。

2)由本试验研究与一般隧道试验研究对比分析可见，浅埋偏压隧道的偏压角度和围岩的力学参数决定了破坏体的规模和范围，且破坏体的范围主要受偏压角度的影响。其具体表现为:偏压角度越小，破裂面上部顶点距离隧道开挖面越远，破裂面的深度越浅，塌落量越小;反之，破裂面顶部距离隧道开挖面越近，破裂面深度越深，塌落量越大。

3)单洞隧道的破裂角为56～71°。其中靠近坡脚一侧的破裂角较小，与水平面的夹角为56～66°，靠近坡顶一侧的破裂角较大，与水平面的夹角为66～71°。小净距隧道两塌落体中间为左右两侧滑裂面不对称的楔型结构，靠近坡顶侧滑裂面的角度较小，与水平面的夹角为56～58°;靠近坡脚侧滑裂面的角度相对较大，与水平面的夹角为62～75°。

本试验研究着重于Ⅴ级围岩条件，对隧道围岩破坏问题进行了初步研究，并得到了较好的认识。但对其他围岩类别及偏压角度条件下破坏模式的研究，还有待今后进一步开展工作。

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